Технологии спутниковой навигации стали привычным удобством для рядового пользователя. Ежегодно выпускаются миллионы устройств, поддерживающих работу с такими системами. Синонимом геопозиционирования стала GPS — первая глобальная система. Но есть еще отечественная ГЛОНАСС, европейская Galileo, а также загадочная Beidou из Поднебесной. А еще японская QZSS и индийская NavIC (IRNSS), которые являются региональными проектами, но в будущем имеют перспективы перерасти в глобальные системы.
GPS, ГЛОНАСС и Beidou созревали еще с середины второй половины прошлого века. Европейская программа по созданию глобальной навигационной системы была только утверждена в 1994 году, а до первых запусков прошло еще много лет. Идея спутниковой навигации посетила светлые головы инженеров после запуска первого спутника СССР. Было установлено, что сила сигнала от космического аппарата изменялась в зависимости от удаленности спутника за счет эффекта Допплера.
Первый спутник навигационной системы запустили США, и до нашего времени проект дошел под названием GPS. В СССР тоже работали над собственным решением — свой аналог советские инженеры назвали ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Если американская программа разрабатывалась планомерно, то развитие ГЛОНАСС столкнулось с проблемами из-за перестройки, а затем из-за нехватки финансирования. Beidou тоже прошла долгий путь становления, что вызвано кризисами.
GPS и ГЛОНАСС создавались, в первую очередь, как военные технологии со всеми вытекающими. Позднее доступ к ним открыли и для гражданских. Сейчас спутниковая навигация применяется в различных сферах жизнедеятельности человека и позволяет определять не только местоположение, но и параметры движения.
При этом для улучшения надежности и стабильности навигации страны объединяют усилия, правда, делают это группами. Так в GPS продвигается интеграция с Galileo, а ГЛОНАСС больше «дружит» с Beidou.
Коротко о принципе работы
Технология строится на измерении задержки сигнала от спутника к приемнику. Передача сигнала осуществляется в дециметровом диапазоне волн. Для точного определения координат на плоскости необходимо три спутника, а четвертый спутник помогает определить высоту.
Основные элементы системы:
- модуль приемника;
- спутник на околоземной орбите;
- наземная инфраструктура.
Система спутниковой навигации определяет координаты с точностью до десятков или даже сотни метров. Далее в игру вступают алгоритмы, устраняющие ошибки и погрешности. Вычисления помогают сократить погрешность до нескольких метров, а передовые решения — до нескольких сантиметров. Так как системы разрабатывались в первую очередь оборонными ведомствами, то повышенная точность в большинстве случаев предоставляется исключительно военным. В Galileo — на коммерческой основе.
Могут ли отключить GPS?
Теоретически, отключение пользователей из конкретных регионов или стран возможно. Отключение гражданского сегмента GPS американскими военными имело место во время локальных конфликтов. Соответственно, повторение подобных сценариев в будущем возможно. Не исключено, что союзная Galileo тоже может приостановить работу в отдельных зонах или увеличить погрешность до неприемлемых значений.
Если раньше это могло стать серьезной проблемой, то сейчас ГЛОНАСС и Beidou достаточно окрепли, чтобы стать полноценной альтернативой. Более того, в отдельных случаях эти спутниковые системы навигации работают лучше американского и европейского аналога. К тому же, большинство современных устройств оснащены приемниками двух типов, поэтому никаких существенных изменений для пользователей не предвидится.
Параметры основных спутниковых навигационных систем
* В Beidou используются орбитальные группировки смешанного типа: 8 спутников на геостационарной орбите, 12 — на наклонных геосинхронных орбитах, 29 — на средних круговых орбитах.
Орбиты и спектр навигационных радиосигналов GPS:
Орбиты и спектр навигационных радиосигналов ГЛОНАСС:
Орбиты и спектр навигационных радиосигналов Beidou:
Орбиты и спектр навигационных радиосигналов Galileo:
На данный момент лучшую точность определения местоположения в глобальных масштабах обеспечивает GPS. При этом Galileo использует продвинутые разработки и в будущем может предложить более высокую точность.
ГЛОНАСС немногим уступает в точности GPS, но более надежна при работе в северных широтах.
Некоторые европейские страны из северных регионов многие годы использовали российскую спутниковую систему навигации вместо американского и европейского аналога, что говорит о многом.
Beidou интенсивно набирает обороты, и только в последние годы вырвалась в лидеры и оставила позади другие системы по количеству спутников. Помимо глобального охвата, китайская программа ориентирована также на собственный регион и улучшение мобильной связи. Кроме совершенствования аппаратной части важной составляющей является развитие алгоритмов устранения ошибок и погрешностей.
Региональные проекты
На данный момент существуют два региональных проекта, на базе которых в будущем возможно развертывание глобальных систем. Это японская QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) и индийская NavIC.
QZSS ориентирована на Тихоокеанского-Азиатский регион и на Японию. В рамках проекта уже запущены 4 космических аппарата, которые находятся на квазизенитных орбитах. В Японии система обеспечивает точность определения местоположения с погрешностью 2 м. Планируется расширение орбитальной группировки еще тремя спутниками.
Система также ориентирована на улучшение качества связи, передачу данных и текстовых сообщений. Одним из преимуществ японского проекта является работа с сигналом LEX (диапазон L6), обеспечивающим высокоточное позиционирование с сантиметровой точностью.
Орбиты и спектр навигационных радиосигналов QZSS:
NavIC ориентируется на пользователей Индии, а также охватывает территорию близлежащих стран и акватории Индийского океана — до 1500 км от границы страны. Особенность системы заключается в использовании одночастотной аппаратуры, которая, благодаря поправкам с использованием параметров ионосферной точечной сетки, выдает результаты, аналогичные двухчастотной аппаратуре.
Орбитальная группировка состоит из трех космических аппаратов на геостационарной орбите и четырех — на геосинхронной. В своем регионе NavIC работает точнее и быстрее GPS.
Орбиты и спектр навигационных радиосигналов NavIC:
Какие еще альтернативы есть
Определение местоположения объекта в пространстве возможно без спутниковых навигационных систем. Существует множество альтернатив, но на данный момент их точность и надежность недостаточны. В качестве примера можно назвать Location-based service (LBS) — эти технологии могут применяться там, где нет возможности работать со спутниковым сигналом. Те же сервисы могут использоваться для повышения точности вычисления местонахождения объекта, работая совместно с глобальными системами навигации.
Серьезным конкурентом глобальных спутниковых систем может стать проект Starlink, который разворачивает SpaceX. Если верить исследователям университета штата Огайо, ученые смогли добиться точности вычисления координат до 7,7 м. С ростом количества спутников погрешность снизится. Исследователи отмечают, что спутники Starlink находятся ближе к поверхности планеты, и сигнал от них более сильный. В частности это может снизить влияние помех и повысить надежность системы.
Подведем итоги
Сейчас многих волнует вопрос о том, что будет, если отключат GPS (и Galileo). Фактически, современные устройства поддерживают работу со всеми четырьмя системами сразу, поэтому никаких проблем из-за этого не возникнет. Исключением могут стать устройства с приемниками старого образца, которые были разработаны под GPS — в большинстве случаев это девайсы из 2000-х.
Современные устройства поддерживают работу со всеми четырьмя системами сразу, проблемы с навигацией могут возникнуть только у старых устройств.
В остальном же технологии развиваются, и постепенно появляются альтернативы глобальным системам спутниковой навигации.